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Apresentando o Plasma Clássico

Jefferson Stafusa Elias Portela(stafusa@if.usp.br)

Instituto de Física da Universidade de São Paulo

Apresentando o Plasma Classico – p.1

Livro

Esta apresentação é a primeira de uma série doGrupo de Estudos Plasmáticos.

Ela é essencialmente baseada no capítulo 1 do livro:

INTRODUCTION TO

PLASMA PHYSICS ANDCONTROLLED FUSION

Vol. 1: Plasmas Physics

2a edição (1984), de Francis F. Chen

Apresentando o Plasma Classico – p.2

Resumo da Apresentação

� O Nome� Definição Intuitiva� Ocorrência de Plasmas na Natureza� Blindagem de Debye� Definição de Plasma� Aplicações

Apresentando o Plasma Classico – p.3

O Nome

O primeiro a utilizá-lo foi o americano Irving Langmuir, no artigo“Oscillations in Ionized Gases” nos Proc. Nat. Acad. Sci. U.S. em 1928.

Trata-se de uma referência ao plasma sanguíneo.

Mas há ao menos duas versões para a razão desta conexão:

� o significado, moldar, da origem grega do termo - devido àmaneira como as descargas brilhantes no plasma se amoldam aoseu recipiente;

� o modo como ambos os plasmas carregam partículas.

fonte: http://www.plasmacoalition.org/what.htm

Apresentando o Plasma Classico – p.4

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

Comportamento coletivo denota comportamentos que não dependemapenas de condições locais (como em um gás comum), mas tambémde condições em regiões mais distantes do plasma.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

+ E

Gás "normal"

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

E = 0++++

++ + + +

+++++

++ + +

+

+

Plasma

+

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Definição IntuitivaPlasmas são gases em que a presença de partículas carregadas é

suficiente para que seu movimento seja essencialmente controladopor forças eletromagnéticas (de longo alcance), apresentandocomportamento coletivo e não sendo totalmente descrito pelahidrodinâmica de gases usual.

• Plasmas também devem apresentar a Blindagem de Debye, i.e., devemser capazes de “blindar” campos elétricos aplicados sobre eles.

Obs.: a capacidade de apresentar a blidagem de Debye é chamada,nos plasmas usuais (i. e., neutros, como o do esquema anterior), dequasineutralidade, devido a haver uma neutralidade líquidaacompanhada de possíveis concentrações locais de carga.

Obs.: naturalmente a quantidade de partículas envolvidas nablidagem de Debye deve ser estatisticamente significativa.

Apresentando o Plasma Classico – p.5

Ocorrência de PlasmasO grau de ionização de um gás em equilíbrio térmico é dado pelaequacao de Saha:

ninn

= 2, 4 · 1021 T32

nie−Ui/KT ,

em que ni e nn são as densidades (número por m3) de átomosionizados e neutros, respectivamente, T é a temperatura do gás em K,K é a cte de Boltzmann e Ui é a energia de ionização do gás.A equação acima pode ser escrita na forma:

Apresentando o Plasma Classico – p.6

Ocorrência de PlasmasO grau de ionização de um gás em equilíbrio térmico é dado pelaequacao de Saha:

ninn

= 4, 9 · 1010 T34

n12n

e−Ui/2KT .

Apresentando o Plasma Classico – p.6

Ocorrência de PlasmasO grau de ionização de um gás em equilíbrio térmico é dado pelaequacao de Saha:

ninn

= 4, 9 · 1010 T34

n12n

e−Ui/2KT .

Exemplificando com alguns valores:

material parâmetros ninn

ionização, ninT

N, ambiente T = 300 K,Ui = 14, 5 eV,nn ≈ 3 · 1025 m−3

∼ 10−121 10−121

1+10−121 ≈ 0

H, TCA-BR T = 5 · 106 K,Ui = 13, 6 eV,nn ≈ 6 · 1019 m−3

∼ 1011 1011

1+1011 ≈ 1

ninT

=ni

nn+ni=

ni/nn1+ni/nn Apresentando o Plasma Classico – p.6

Ocorrência de Plasmas - cont.

http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Translations.htmlApresentando o Plasma Classico – p.7

Blindagem de DebyeSabemos que plasmas apresentam blindagem de carga:

E = 0++++

++ + + +

+++++

++ + +

+

+

Plasma

+

Convém considerar o fenômeno de modo mais quantitativo.

Apresentando o Plasma Classico – p.8

Blindagem de DebyePara facilitar as contas, utilizamos um modelo simplificado:

� Seja uma grade dielétrica plana carregada positivamente,possuindo um potencial φ0 em relação ao infinito, imersa numplasma infinito; uma vez que me/míon � 1, consideraremos queapenas os elétrons são responsáveis pela blindagem;

� mas, a partir de alguma distância da grade, tem-se φ . KT/e , ouseja, KT & eφ , i. e., Utérmica & Ueletrostática , de modo que oselétrons podem “escapar”, e a blindagem não é perfeita;

� queremos calcular como varia φ com a distância x à grade, para talusaremos a equação de Poisson:

∇ · E =ρ

ε, E = −∇φ ⇒ ∇2φ = −

ρ

ε=⇒

d2φ

dx2 = −eε(ni − ne).

e e a carga do eletron.

Apresentando o Plasma Classico – p.8

Blindagem de DebyePara conhecer ne, precisaremos da distribuição da densidade deelétrons:

f (u) = A exp[

−

(12

mu2 − eφ

)

/(KTe)

]

,

em que f (u)du é o número de elétrons por m3 com velocidade entre ue u + du. Logo

ne =

∫∞

0f (u)du

= A exp(

eφ

KTe

) ∫∞

0exp

(−mu2

2KTe

)

du︸ ︷︷ ︸

cte

= A′ exp(

eφ

KTe

)

,

Apresentando o Plasma Classico – p.8

Blindagem de Debyetemos A′ = ne(φ = 0) = ne(x → ∞) e, com ne(x → ∞) ≡ n∞, obtemos

ne = n∞ exp(

eφ

KTe

)

,

e como, devido à quase-neutralidade, tem-se ni = n∞, a equação dePoisson torna-se

d2φ

dx2 = −eε(ni − ne) =

eε

n∞

[

exp(

eφ

KTe

)

− 1]

Na região distante da grade, onde |eφ/KTe| � 1, podemos expandir aexponencial em Taylor (abreviando n∞ por n)

d2φ

dx2 =eε

n

[

eφ

KTe+

12

(eφ

KTe

)2+ . . .

]

.

Apresentando o Plasma Classico – p.8

Blindagem de DebyeMantendo apenas o termo linear ficamos com

d2φ

dx2 =ne2

εKTeφ =

1λ2

Dφ,

que tem como soluçãoφ = φ0e−x/λD

sendo

λD =

(εKTe

ne2

)1/2,

o comprimento de Debye, que nos dá uma ordem de grandeza para aespessura da blindagem.

Apresentando o Plasma Classico – p.8

Definição de PlasmaCondições para que um gás ionizado seja um plasma:

� ter seu comportamento dominado por forças eletromagnéticas (delongo alcance) e não hidrodinâmicas (“colisionais”): ωp > ωcem que ωp e ωc são as frequências de oscilações típicas de plasmae de colisões, respectivamente;

� ter capacidade de apresentar a blindagem de Debye: λD � Lem que L é a menor dimensão do sistema (gás).

A blindagem de Debye deve ser estatisticamente significativa, i.e.,

ND � 1

em que ND é o número de partículas responsáveis pela blindagem -partículas dentro de uma “esfera de Debye” de raio λD.

Apresentando o Plasma Classico – p.9

Aplicações

Descreveremos brevemente algumas das muitas aplicações dosplasmas e da física de plasmas.

Apresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesFusao termonuclear controlada

Reações nucleares do tipo D + T → He4 + n liberam grandequantidade de energia, mas exigem altas temperaturas.

Um caminho promissor para o uso pacífico desta energia são ostokamaks, em que D e T são, na forma de plasma, confinadosmagneticamente.

As pesquisas em tokamaks motivaram e motivam grande parte daspesquisas em plasma.

Apresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesFısica “atmosferica”

Diversos fenômenos físicos que ocorrem na ionosfera, no ventosolar e na interação entre estes podem ser compreendidos à luz dafísica de plasmas.

A ionosfera tem relação direta com comunicações, especialmente viarádio, e o vento solar também exerce influência nas comunições viasatélite.

As descargas mais intensas dos relâmpagos se dão através de plasmascriados na atmosfera por descargas piloto.

A ionosfera se extende de 50 km a 10 raios terrestres

Apresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesAstrofısica

O meio espacial é o mais rico em plasmas (nas estrelas, em nebulosas,no meio interestelar, no centro de galáxias,...), que, direta ouindiretamente, estão envolvidos em grande parte dos fenômenosobservados.

Plasmas podem tomar parte na acelaração dos raios cósmicos.

Nuvens de plasma, violentamente distorcidas pela gravidade, sãoresponsáveis por muitas das emissões de radiação observadas.

E mesmo estrelas numa galáxia puderam ser descritas comoparticulas num plasma.

Apresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesPropusao magneto-hidrodinamica

Um fluxo propulsor pode ser obtido pela passagem de uma correnteelétrica pelo plasma na presença de um campo magnético ortogonal.

ev

B

F

+

B

ev

Yamato-1: http://www.sof.or.jp/ship/nf/yamato_1/index.html.enApresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesPropusao ionica

Propulsão por aceleração eletrostática de plasma.

Xenon Ion Propulsion System (XIPS):http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/factsheets/xips/xips.html

Apresentando o Plasma Classico – p.10

AplicaçõesPropusao ionica

Propulsão por aceleração eletrostática de plasma.

Deep Space 1: http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1/

Apresentando o Plasma Classico – p.10

Aplicações“Gerador” magneto-hidrodinamico

Um fluxo de plasma através de duas placas condutoras paralelas, comum campo magnético ortogonal pode carregá-las, e delas se poderiaextrair uma corrente elétrica.

ev

BF

B

++

++ +

+ +++

+

Apresentando o Plasma Classico – p.10